Questa ricerca è stata finanziata dalla US Army Research Ufficio Award W911NF-04-1-0169, il Centro Ricerca e Sviluppo Engineering (ERDC) e National Science Foundation grant EAR-1.029.069. Inoltre, questa ricerca è stata sostenuta da un programmi estivi in ​​Undergraduate Research Grant da Colorado School of Mines. Gli autori desiderano ringraziare Ryan tolene e Paul Schulte per il loro contributo.

Nota: i test di laboratorio viene eseguita utilizzando un banco a due dimensioni del serbatoio scala interfacciato con un apparato di galleria del vento climatica controllata. Sia il serbatoio bilancia da banco e in galleria del vento sono strumentati con diverse tecnologie di sensori. Il protocollo seguente discutere innanzitutto la costruzione e la preparazione del serbatoio terreno, seguita da una discussione della galleria del vento e la strumentazione di entrambi. Le dimensioni del serbatoio, le dimensioni della galleria del vento, il numero di sensori, e il tipo di tecnologia dei sensori presentati possono essere modificate in funzione delle esigenze di uno specifico set-up sperimentale. Il protocollo presentato di seguito è stato utilizzato per studiare sperimentalmente gli effetti della velocità del vento per evaporazione nudo terreno. 1. Costruzione e preparazione di mezzi porosi serbatoio del suolo <ol><li> Tagliare un grosso pezzo di 1,2 cm di spessore vetro acrilico in cinque riquadri singoli. Montare questi riquadri in un serbatoio terreno decappottabile con interno lunghezza, la larghezza e l&#39;altezza di 25, 9.1 e 55 centimetri, respcace. Vetro acrilico permette processi nel sottosuolo da osservare visivamente. </li><li> Disegnare una griglia 5 x 5 che di 25 cm 25 cm su ciascuno dei due grandi lastre di vetro (lunghezza 25 cm e Altezza 55 cm) come mostrato in Figura 1. Assicurarsi che ogni quadrato all&#39;interno della griglia ha una superficie di 25 cm 2 (Figura 1). La griglia sarà utilizzato correttamente spazio sensori all&#39;interno del serbatoio del suolo. </li></ol><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52704/52704fig1highres.jpg" width="700" /> Figura 1: schematica frontale e laterale della vasca suolo utilizzato per il set-up sperimentale (dimensioni sono in centimetri) (a) La vista frontale della vasca terreno visualizzazione del sistema di rete costituita venticinque 5 centimetri x 5 cm. piazze. (B) La vista laterale del serbatoio del suolo, mostrando la temperatura installato, umidità relativa e rete di sensori di umidità del terreno come funczione di profondità. Si noti che i disegni non sono in scala. <ol start="3"><li> Su uno dei grandi aerei vetro, praticare un totale di venticinque 1,9 centimetri (¾ di pollice) di diametro per i sensori di umidità del suolo. <ol><li> Perforare ciascun foro al centro di ogni quadrato nella griglia stabilita nel passaggio 1.2 in modo che i centri dei fori di due quadrati adiacenti sono 5 cm di distanza; la prima serie di fori è di 2,5 cm sotto la parte superiore del serbatoio. Utilizzare rubinetti opportunamente dimensionate per tagliare fili in ciascuno dei fori appena creati. La spaziatura di 5 cm tra le sonde assicura che ogni sensore è al di fuori del volume di campionamento del sensore successivo più vicino. </li></ol></li><li> Allo stesso modo, forare e toccare un totale di venticinque 0,635 centimetri (¼ di pollice) fori di diametro al centro di ogni casella della griglia creato durante Fase 1.2. Assicurarsi che il centro di ogni foro è distanziato 5 centimetri a parte con la prima fila di fori trova a 2,5 cm sotto la parte superiore del serbatoio del suolo. La spaziatura di 5 cm tra le sonde assicura che ogni sensor è al di fuori del volume di campionamento del sensore successivo più vicino. </li><li> Nel riquadro acrilico utilizzato come il fondo del serbatoio, trapano e toccare un foro di diametro singolo ½ pollice al centro del pannello. Colla un setaccio a maglie (più fine i terreni di prova da utilizzare) sopra il foro sul lato interno del vetro. Sul lato esterno del piano di fondo, installare un gomito a 90 ° che è collegato al tubo flessibile con una valvola regolabile. Questa valvola e il tubo viene utilizzato per drenare l&#39;acqua dal serbatoio al termine di un esperimento o come un modo per installare dispositivi di testa costante per il mantenimento di una profondità di falda costante. </li><li> Utilizzare colla grado marino o simile polimero adesivo resistente all&#39;acqua per fissare e sigillare il serbatoio insieme come mostrato in Figura 1. Lasciare indurire l&#39;adesivo per un giorno. </li><li> Per sollevare il serbatoio fuori del terreno e fare spazio per il gomito a 90 ° (Figura 1), fissare due ulteriori pezzi di vetro acrilico di spessore 1,2 centimetri con lengtH 12 cm e altezza 5 cm dal fondo del serbatoio. </li></ol> 2. Costruzione e Preparazione del clima controllata Wind Tunnel <ol><li> Costruire lungo 215 centimetri porzione a monte del tunnel del vento di materiale canalizzazione acciaio zincato rettangolare che ha una larghezza di 8,5 cm e altezza di 26 cm. Circondare la parte esterna del condotto con isolamento polistirene. </li><li> Praticare un piccolo foro nel lato del lavoro condotto vicino all&#39;uscita valle della porzione a monte del tunnel del vento per l&#39;inserimento di un sensore di umidità-temperatura relativa (Figura 2). </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52704/52704fig2highres.jpg" width="700" /> Figura 2:. Completo set-up sperimentale, compreso il serbatoio, canalizzazione, sensori di rete (le dimensioni sono in centimetri) Completare sperimentale messa a punto dell&#39;apparato galleria del vento e il suolo-tank combinato. La galleria del vento èelevata e si trova a filo con la superficie del serbatoio terreno. Il serbatoio suolo è strumentato con una rete di sensori utilizzati per misurare una varietà di sottosuolo e variabili atmosferiche. I cerchi della griglia rappresentano le posizioni per l&#39;inserimento di questi sensori. Un sistema di controllo di riscaldamento e di un condotto della ventola in linea sono usati per controllare la temperatura e la velocità del vento, rispettivamente. Il tubo di Pitot-statico viene utilizzato per misurare la velocità del vento. L&#39;intero apparato si siede su una scala di ponderazione per ottenere un bilancio di massa durante la sperimentazione. Si noti che lo schema non è in scala. <ol start="3"><li> Installare cinque elementi riscaldanti infrarossi ceramica posizionati in parallelo all&#39;interno di un riflettore lungo la lunghezza della porzione a monte del tunnel del vento. Collegare gli elementi riscaldanti infrarossi ad un sistema di controllo della temperatura regolata da un sensore di temperatura a infrarossi. </li><li> Costruire la parte centrale della galleria del vento su due pannelli di spessore 1,2 centimetri acrilici con una lunghezza e un&#39;altezza di 25 cm e 26 centimetri rispettivamente.Praticare due 0,635 centimetri (¼ di pollice) di diametro in uno dei pannelli sezione centrale per inserire la temperatura e / o sensori di umidità-relative di temperatura nelle posizioni indicate nella figura 2. <ol><li> Fissare i pannelli in acrilico per la parte superiore delle pareti laterali del serbatoio del suolo (ad esempio, pannelli con dimensioni 25 centimetri x 55 cm) con un forte nastro adesivo, assicurando che la galleria del vento e pannelli serbatoio terreno sedersi a filo con l&#39;un l&#39;altro. </li></ol></li><li> Costruire i primi 50 cm della porzione a valle della galleria del vento dallo stesso formato materiale canale rettangolare descritto nel passaggio 2.1. Sul lato di terminazione, ridurre il materiale canale rettangolare ad un condotto circolare 15,3 centimetri di diametro e lunghezza 170 cm. Installare un ammortizzatore in acciaio zincato, utilizzato per regolare la velocità del vento, all&#39;estremità a valle del canale rotondo di aiuto nel controllo della velocità del vento. </li><li> Come nel passo 2.2, perforare un foro di diametro 0,635 centimetri sul lato del condotto rettangolare valle vicino all&#39;ingresso per ilinserimento di un sensore di umidità relativa temperatura. Perforare un secondo 0,635 centimetri foro di diametro dalla parte superiore del condotto rettangolare lungo la linea centrale della galleria del vento. </li><li> Installare un condotto della ventola in linea a mezzo del condotto (ad es, 85 centimetri a valle dalla riduzione descritto al punto 2.4) orientati per espellere l&#39;aria dalla parte a valle della galleria del vento. Interfaccia la ventola con un regolatore di velocità variabile per un controllo più preciso della frequenza di rotazione e di velocità del vento risultato. </li><li> Uso dei materiali di saldatura e scaffalature regolabili per elevare e fissare l&#39;apparato galleria del vento. Assicurarsi che il fondo della canalizzazioni a monte ea valle sono a filo con la parte superiore del serbatoio del suolo (figura 2). </li></ol> 3. Installazione di sensori <ol><li> Prima dell&#39;installazione all&#39;interno del serbatoio terreno, garantire ogni umidità del suolo e sensore di temperatura in un alloggiamento NPT filettata (1,9 centimetri e 0,635 centimetri alloggiamenti, rispettivamente) e seal di sigillante lampeggiante per evitare che l&#39;umidità intrusione. Non utilizzare prodotti sigillanti a base di silicone in quanto possono interferire con le parti elettroniche all&#39;interno alcuni sensori. Curare i sensori per circa una settimana. </li><li> Prima dell&#39;installazione nel serbatoio terreno, calibrare i sensori di umidità del terreno secondo la α-miscelazione metodo a due punti sviluppato da Sakaki et al. 12. </li><li> Avvolgere i fili di ogni alloggio NPT con nastro idraulici prima dell&#39;installazione in vasca per aiutare a fornire una migliore tenuta tra la filettatura NPT e vetro acrilico. </li><li> Installare un totale di 25 di umidità del suolo e di temperatura sensori ciascuno orizzontalmente attraverso le pareti del serbatoio nelle posizioni indicate nel passaggio 1.2. Intrecciare i cavi dei sensori in sincronia con la NPT / alloggi in modo da non danneggiare il cablaggio interno entro i cavi. Non over-coppia i NPTS in modo da evitare che il vetro di cracking. Collegare i sensori di umidità del suolo e sensori di temperatura ai propri dati designatilogger. </li><li> Installare 3 relativi sensori di umidità-temperatura sulla superficie del suolo a distanze di 2,5, 12,5 e il 21,5 cm dal bordo anteriore del serbatoio. Posizionare i sensori in buon contatto con la superficie del terreno in modo che le letture di umidità relativa riflettono le condizioni sulla superficie del suolo, piuttosto che l&#39;aria circostante. Collegare i sensori al data logger. </li><li> Per ottenere la temperatura dell&#39;aria necessaria e misurazioni di umidità relativa in atmosfera, installare sensori di umidità-temperatura relativi nella sezione flusso libero della galleria del vento, utilizzando i fori attraverso le sezioni a monte ea valle della galleria del vento, nonché i pannelli. </li><li> Installare un tubo di Pitot-statico direttamente a valle del serbatoio suolo attraverso il foro 0,635 centimetri praticato nella parte superiore del tratto in galleria del vento valle. Tenere il tubo di Pitot-statico ad una altezza di 13 cm dal piano della sezione. Collegare il tubo di Pitot-statico ad un trasduttore di pressione differenziale. </li><li> Calibrazè Il trasduttore di pressione differenziale. Le misure del tubo di Pitot-statico pressione dinamica che è definito come la differenza della stagnazione e pressioni statiche. Il differenziale di pressione viene interpretato dal trasduttore di pressione come differenza di tensione. <ol><li> Misurare la tensione in nessun condizioni di flusso (tensione dovrebbe essere approssimativamente uguale a 0) e per il flusso di un noto pressione dinamica; ciò permette una relazione lineare da stabilire tra la pressione dinamica e la tensione. Determinare la velocità del vento applicando l&#39;equazione di Bernoulli: <img alt="Equazione 1" fo:content-width="0.8in" src="/files/ftp_upload/52704/52704eq1.jpg" width="100" /> (1) dove V (m / sec) è la velocità del vento, P dinamico (Pa) è la pressione dinamica, e ρ (kg / m 3) è la densità dell&#39;aria. </li><li> Confrontare la velocità calcolata utilizzando l&#39;equazione (1) con un altro dispositivo di misura. Qui, confrontare i TRA pressione differenziale tubo di Pitot-staticonsducer con Laser Doppler Velocimetry (LDV) misure che ha una precisione di ± 0,01 m / sec. Nota: Una sintesi di sensori impiegati e delle loro frequenze di campionamento associati si trovano nella tabella 1 Per le specifiche del sensore e altre informazioni, fare riferimento al materiale allegato / dotazioni.. </li></ol></li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Sensor </td><td> Misure sensore </td><td> Numero di sensori impiegati in apparati sperimentali </td><td> Sensore Frequenza di campionamento (min) </td></tr><tr><td> EC-5 </td><td> Umidità del suolo </td><td> 25 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> ECT </td><td> Suolo / temperatura dell&#39;aria </td><td> 25 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> SH-1 </td><td> Proprietà termiche </td><td> 1 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> EHT </td><td> Umidità relativa / temperatura </td><td&gt; 5 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Telecamera a infrarossi </td><td> La temperatura della superficie / evaporazione </td><td> 1 </td><td> 1 </td></tr><tr><td> Fotocamera digitale </td><td> Visualizzazione di essiccazione anteriore </td><td> 1 </td><td> 60 </td></tr><tr><td> Tubo di Pitot statico </td><td> Velocità del vento </td><td> 1 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Scala ponderazione </td><td> Cumulativo di evaporazione / velocità di evaporazione </td><td> 1 </td><td> 10 </td></tr></tbody></table> Tabella 1: Sintesi dei sensori utilizzati in parte sperimentale di questo studio. 4. Imballare il suolo del carro armato e prepararsi per l&#39;inizio della sperimentazione <ol><li> Prima di imballaggio del serbatoio con terreno, testare la sua integrità eseguendo una prova di tenuta. Riempire il serbatoio con acqua e aspettare 4-6 ore per evitare perdite nella struttura o sensori sono sviluppate. <ol><li> Se le perdite si sviluppano, svuotare il serbatoio, lasciare asciugare durante la notte e fissare le perdite utilizzando la stessa madesivo Arine usato durante la costruzione originale. Se perdite si sviluppano, svuotare il serbatoio del terreno e prepararsi per i passaggi che seguono. </li></ol></li><li> Determinare il volume totale del serbatoio con sensori a posto. Riempire con cura il serbatoio con acqua utilizzando un cilindro graduato, avendo cura di registrare la quantità di acqua aggiunta. Convertire il volume complessivo registrato centimetri cubici per l&#39;utilizzo in fase 4.5. </li><li> Ottenere terreno asciutto per imballare il serbatoio di terreno. Caratterizzare le proprietà idrauliche e termiche del suolo selezionato separatamente, in conformità con i metodi discussi in Smits et al. 11 </li><li> Attentamente wet-imballare il serbatoio terreno con il suolo e l&#39;acqua deionizzata. <ol><li> Per bagnare-imballare serbatoio terreno, prima versare circa 5 cm di acqua nel serbatoio. Aggiungere lentamente terreno asciutto per l&#39;acqua nel serbatoio, con una paletta, con incrementi di profondità 2,5 centimetri. Registrare il peso della sabbia aggiunto durante ciascun ascensore quindi la porosità del terreno imballaggio può essere calcolato. </li><li> Al completamentodi ogni strato, ripetutamente toccare le pareti del serbatoio utilizzando un martello di gomma, 100-200 volte, per ottenere una densità di massa uniforme. Durante il tapping, evitare il contatto con i sensori e cavi del sensore. L&#39;uso di dispositivi vibranti dovrebbe essere evitata in modo da non danneggiare la rete di sensori sensibili. </li></ol></li><li> Al termine del confezionamento del serbatoio, sommare insieme i pesi di ogni strato di terreno (vedere Fase 4.4) per ottenere la massa totale del suolo. Dividere la massa totale della densità apparente del suolo (ad esempio la densità di massa di sabbia di quarzo è 2,65 g / cm 3) per determinare il volume di sabbia (V s, cm 3). Calcolare la porosità (η, m 3 / m 3) del suolo nel serbatoio secondo: <img alt="Equazione 2" fo:content-width="0.8in" src="/files/ftp_upload/52704/52704eq2.jpg" width="100" /> (2) dove (V T, m 3) è il volume totale del serbatoio vuoto determinato al punto 4.2. </li> &lt;li&gt; Una volta che il serbatoio è completamente pieno, posizionare un coperchio di plastica come involucro di saran sopra il serbatoio fino l&#39;esperimento è pronto per iniziare a prevenire l&#39;insorgenza di evaporazione. </li><li> Posizionare il serbatoio su una scala di ponderazione per monitorare la perdita di acqua cumulativa che a sua volta può essere utilizzato per calcolare il tasso di evaporazione. </li><li> Calcolare il tasso di evaporazione oraria dividendo la perdita di peso oraria dal prodotto della densità di acqua e l&#39;area della sezione trasversale della superficie evaporante. </li></ol> 5. Avviare l&#39;esperimento e l&#39;avvio della raccolta dei dati <ol><li> Una volta che il set-up è completo, determinare le condizioni atmosferiche (temperatura desiderata cioè, velocità del vento). Assicurarsi che i registratori di dati e di altri sistemi di acquisizione dati siano accesi e impostati gli intervalli di campionamento corretti (per esempio, ogni 10 min). </li><li> Avviare il sistema di ventilazione e controllo della temperatura. Lasciare le condizioni climatiche equilibrare prima di rimuovere il coperchio di plastica sulla superficie dei sserbatoio dell&#39;olio. Simula per il periodo di tempo desiderato (ad esempio, 15 giorni). </li></ol>

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

Lo scopo di questo protocollo è quello di sviluppare un apparato sperimentale e relative procedure per la generazione di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale necessarie per studiare le interazioni terra atmosferica rispetto al calore e processi di trasferimento di massa. L&#39;apparato sperimentale descritto consisteva in un serbatoio suolo e una piccola galleria del vento, ambedue equipaggiato con una serie di sensori per la misurazione di suolo e atmosferiche variabili pertinenti (ad esempio, veloci...

Comprendere l&#39;interazione tra la terra e l&#39;atmosfera è fondamentale per la nostra comprensione di molti problemi del mondo di oggi, come fuoriuscita di anidride carbonica geologicamente-sequestrato nel suolo, i cambiamenti climatici, l&#39;acqua e l&#39;approvvigionamento alimentare, il rilevamento accurato delle mine terrestri, e la bonifica delle acque sotterranee e del suolo. Inoltre, gli scambi primari di calore e acqua che guidano condizioni meteorologiche globali e regionali verificano sulla superficie della Terra. Molti fenomeni meteorologici e climatici (ad esempio, uragani, El Ni &amp; # 241; o, siccità, ecc) sono principalmente guidati da processi associati atmosferico-land interazioni di superficie 1. Come più della metà della superficie terrestre sulla Terra è aride o semiaride 2-4, che descrive con precisione il ciclo delle acque in queste regioni sulla base di scambi di calore e di acqua tra l&#39;aria atmosferica e la superficie del suolo è fondamentale per migliorare la nostra comprensione di le questioni di cui sopra,in particolare nelle regioni vulnerabili alla siccità e alla desertificazione estesa. Tuttavia, nonostante decenni di ricerca, rimangono ancora molte lacune nelle conoscenze nell&#39;attuale comprensione di come il sottosuolo superficiale e l&#39;atmosfera interagiscono 5. Processi di trasporto coinvolgono acqua liquida, vapore acqueo, e il calore nel suolo sono dinamiche e fortemente accoppiato rispetto alle interazioni con il suolo e forzata condizioni al contorno (cioè, temperatura, umidità relativa, radiazione termica). Modelli di calore e di massa di trasferimento numeriche comunemente semplificano troppo o si affacciano su un certo numero di queste complessità dovuta in parte alla mancanza di prove e la raffinatezza delle teorie esistenti derivanti da una carenza di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale. Dataset sviluppati per la convalida dei modelli sono spesso carenti informazioni atmosferica o sottosuolo fondamentale per testare correttamente le teorie, con conseguente modelli numerici che non rappresentano adeguatamente importazioneprocessi formica o dipendono dall&#39;uso di parametri poco conosciute che sono regolate o adattarsi al modello. Questo approccio è ampiamente utilizzato per la sua semplicità e facilità di utilizzo e presenta in alcune applicazioni indicate molto merito. Tuttavia, questo approccio può essere migliorato attraverso una migliore comprensione della fisica dietro questi &quot;parametrizzazioni concentrati&quot; effettuando esperimenti ben controllati in condizioni transitorie che sono in grado di prove di calore e trasferimento di acqua teoria 6. Un&#39;attenta sperimentazione in laboratorio permette dataset di precisione da generare che può successivamente essere utilizzato per validare modelli numerici. Dati disponibili da siti di campo sono spesso incomplete e costoso ottenere, e il grado di controllo necessari per ottenere una comprensione fondamentale dei processi e per generare dati di convalida del modello potrebbero essere considerati talora inadeguata. Laboratorio di sperimentazione di fenomeni naturali quali l&#39;evaporazione del suolo permette atmoscondizioni atmosferico (cioè, temperatura, umidità relativa, velocità del vento) e le condizioni del suolo (ad esempio, tipo di terreno, la porosità, la configurazione d&#39;imballaggio) da controllare con attenzione. Molte tecniche di laboratorio utilizzate per lo studio di evaporazione del suolo e del suolo proprietà termiche e idrauliche utilizzano un campionamento distruttivo 7-10. Metodi di campionamento distruttivi richiedono che un campione di suolo decomprimere per ottenere dati puntuali, impedendo la misurazione del comportamento transitorio e distruggere proprietà fisiche del suolo; questo approccio introduce errore e l&#39;incertezza per i dati. Misure non distruttive, come il metodo presentato qui, consentono la determinazione più accurata e lo studio dell&#39;interdipendenza di proprietà del suolo e processi 11. L&#39;obiettivo di questo lavoro è quello di sviluppare un apparato di carro armato del suolo e protocollo associato per la generazione di dati di risoluzione spaziale e temporale elevate relative agli effetti delle variazioni atmosferiche e delle condizioni del sottosuolo suevaporazione nudo terreno. Per questo lavoro, una piccola galleria del vento in grado di mantenere una velocità del vento e temperatura costanti è interfacciato con un apparato tank terreno. La galleria del vento e il serbatoio del suolo sono strumentati con una suite di tecnologie allo stato dell&#39;arte dei sensori per la raccolta di dati autonomo e continuo. Velocità del vento viene misurata utilizzando un acciaio tubo di Pitot-statico in acciaio collegato a un trasduttore di pressione. Temperatura e umidità relativa sono monitorati nell&#39;atmosfera utilizzando due tipi di sensori. Umidità relativa e temperatura vengono monitorati anche sulla superficie del suolo. I sensori della misura dell&#39;umidità del suolo sottosuolo e della temperatura. Misurazioni di peso dell&#39;apparato serbatoio vengono utilizzati per determinare l&#39;evaporazione attraverso un bilancio di massa di acqua. Per dimostrare l&#39;applicabilità di questo apparato sperimentale e protocollo, presentiamo un esempio di evaporazione nudo suolo in diverse condizioni di velocità del vento. Il serbatoio del terreno, ricco omogeneo con una sabbia ben caratterizzato, è stato inizialmente completamente saturated e lasciato evaporare liberamente in condizioni atmosferiche attentamente controllate (temperatura, velocità del vento).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>ECH2O EC-5 Soil Moisture Sensor (25)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40593</td>
			<td>For specifics visit: http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;3%, and collect data using the Em50 dataloggers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECT Soil/Air Temperature Sensor (19)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40651</td>
			<td>For specifications visit http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;0.5&#176;C, Measure within a temperature of 5 and 40&#176;C, and collect data using the Em50 dataloggers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EHT Relative Humidity and Temperature Sensor (5)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Sampling Frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;3% between 5 and 100% relative humidity, and collect data using Em50 data loggers. For more information visit decagon.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Em50 Data Logger (10)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40800</td>
			<td>For specifics visit http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/. ECH2O decagon devices, pulls data from the ECT, EC-5, and EHT sensors, and each data logger has 5 sensor connections and a com port that connects from the logger to USB to computer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sartorius Weighing Scale (1)</td>
			<td>Sartorius Corporation</td>
			<td>11209-95</td>
			<td>Sartorius Model 11209-95, Range = 65kg, Resolution = &#177;1g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1)</td>
			<td>Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/</td>
			<td>FTE 500-240</td>
			<td>5 heaters needed, adjust to ge thte right ambient/free-flow temperature</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2104 Temperature Control System (1)</td>
			<td>Chromalox</td>
			<td>2104</td>
			<td>Controls the heaters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared Temperature Sensor Regulator (1)</td>
			<td>Exergen Corporation</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Monitors the heaters temperatures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Pitot-Static Tube (1)</td>
			<td>Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/</td>
			<td>Series 160</td>
			<td>For specifics visit http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160. Sensor sampling frequency is every 10 minutes, must be connected to differential pressure transducer and anemometer, and convert the pressure data collected into win velocities using Bernoulli&#39;s equation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/2 inch Acrylic (1)</td>
			<td>Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Specific heat of 1464 J kg^-1K^-1, thermal conductivity of 0.2 W m^-1K-1, and a density of 1150 kg m_-3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized Steel Ducting Material (1)</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Material used to build wind- tunnel, and both round and rectangular ducting were used in construction and connected using square-to-round reducer duct</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable Speed Controller Connected to an In-Line Duct Fan (1)</td>
			<td>Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/</td>
			<td>VS200</td>
			<td>15.3 cm in Diameter Placed in-line with round duct</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized Steel Damper (1)</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Used to control/reduce speeds in the wind tunnel for low velocity data</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accusand #30/40 (1)</td>
			<td>Unimin Corporation http://www.unimin.com/</td>
			<td>N/A</td>
			<td>This sand is silica sand and is 99.8% quartz, its grain shape is classified as rounded, the uniformity coefficient is approximately 1.2, and the grain density is 2.66 g/cm3.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

exploring the effects of atmospheric forcings on evaporation: experimental integration of the atmospheric boundary layer and shallow subsurface

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study evaporation under various surface boundary conditions to improve our current understanding and characterization of this multiphase phenomenon as well as to validate numerical heat and mass transfer theories that couple Navier-Stokes flow in the atmosphere and Darcian flow in the porous media. Experimental data were collected using a unique soil tank apparatus interfaced with a small climate controlled wind tunnel. The experimental apparatus was instrumented with a suite of state of the art sensor technologies for the continuous and autonomous collection of soil moisture, soil thermal properties, soil and air temperature, relative humidity, and wind speed. This experimental apparatus can be used to generate data under well controlled boundary conditions, allowing for better control and gathering of accurate data at scales of interest not feasible in the field. Induced airflow at several distinct wind speeds over the soil surface resulted in unique behavior of heat and mass transfer during the different evaporative stages.

L&#39;obiettivo di questo esperimento presentato qui era di studiare l&#39;effetto della velocità del vento per evaporazione dal suolo nudo. Le proprietà principali del terreno di prova utilizzato in questo studio sono riassunti nella Tabella 2. Una serie di esperimenti sono stati eseguiti in cui diverse condizioni al contorno della superficie del suolo (cioè, velocità del vento e temperatura) sono stati applicati (Tabella 3). Sebbene siano stati eseguiti quattro esperiment...

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Exploring the Effects of Atmospheric Forcings on Evaporation: Experimental Integration of the Atmospheric Boundary Layer and Shallow Subsurface

Un protocollo per la progettazione e la costruzione di un serbatoio terreno interfacciato ad una piccola galleria del vento climatica controllata per studiare gli effetti delle forzanti atmosferici sul evaporazione è presentato. Sia il serbatoio suolo e galleria del vento sono strumentati con tecnologie di sensori per il continuo nella misurazione in situ di condizioni ambientali.

Esplorare gli effetti dell&#39;inquinamento atmosferico forcing per evaporazione: Integrazione sperimentale dello strato atmosferica Boundary e Subsurface Shallow

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study ...

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Research

JoVE Journal

Environment

8.6K Views.  Colorado School of Mines.  Un protocollo per la progettazione e la costruzione di un serbatoio terreno interfacciato ad una piccola galleria del vento climatica controllata per studiare gli effetti delle forzanti atmosferici sul evaporazione è presentato. Sia il serbatoio suolo e galleria del vento sono strumentati con tecnologie di sensori per il continuo nella misurazione in situ di condizioni ambientali. 

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Surface Renewal: An Advanced Micrometeorological Method for Measuring and Processing Field-Scale Energy Flux Density Data

Advanced micrometeorological methods have become increasingly important in soil, crop, and environmental sciences. For many scientists without formal training in atmospheric science, these techniques are relatively inaccessible. Surface renewal and other flux measurement methods require an understanding of boundary layer meteorology and extensive training in instrumentation and multiple data management programs. To improve accessibility of these techniques, we describe the underlying theory of surface renewal measurements, demonstrate how to set up a field station for surface renewal with eddy covariance calibration, and utilize our open-source turnkey data logger program to perform flux data acquisition and processing. The new turnkey program returns to the user a simple data table with the corrected fluxes and quality control parameters, and eliminates the need for researchers to shuttle between multiple processing programs to obtain the final flux data. An example of data generated from these measurements demonstrates how crop water use is measured with this technique. The output information is useful to growers for making irrigation decisions in a variety of agricultural ecosystems. These stations are currently deployed in numerous field experiments by researchers in our group and the California Department of Water Resources in the following crops: rice, wine and raisin grape vineyards, alfalfa, almond, walnut, peach, lemon, avocado, and corn.

Surface renewal is a micrometeorological method that is being used increasingly to determine energy fluxes, but its technical complexity makes it inaccessible to a broad audience. We describe the steps needed to set up and calibrate a surface renewal field station, to acquire and process data, and to correctly interpret results.

Rinnovo di superficie: un metodo avanzato micrometeorologici per la misurazione e l&#39;elaborazione del campo scala dell&#39;energia densità di flusso di dati

Advanced micrometeorological methods have become  increasingly important in soil, crop, and environmental sciences.  For many scientists without formal ...

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Laboratory Simulation of an Iron(II)-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling from hydrothermal sources in the Precambrian ocean was oxidized by molecular oxygen [O2] produced by cyanobacteria. The oldest BIFs, deposited prior to the Great Oxidation Event (GOE) at about 2.4 billion years (Gy) ago, could have formed by direct oxidation of Fe(II) by anoxygenic photoferrotrophs under anoxic conditions. As a method for testing the geochemical and mineralogical patterns that develop under different biological scenarios, we designed a 40 cm long vertical flow-through column to simulate an anoxic Fe(II)-rich marine upwelling system representative of an ancient ocean on a lab scale. The cylinder was packed with a porous glass bead matrix to stabilize the geochemical gradients, and liquid samples for iron quantification could be taken throughout the water column. Dissolved oxygen was detected non-invasively via optodes from the outside. Results from biotic experiments that involved upwelling fluxes of Fe(II) from the bottom, a distinct light gradient from top, and cyanobacteria present in the water column, show clear evidence for the formation of Fe(III) mineral precipitates and development of a chemocline between Fe(II) and O2. This column allows us to test hypotheses for the formation of the BIFs by culturing cyanobacteria (and in the future photoferrotrophs) under simulated marine Precambrian conditions. Furthermore we hypothesize that our column concept allows for the simulation of various chemical and physical environments &#8212; including shallow marine or lacustrine sediments.

Laboratory Simulation of an IronII-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

We simulated a Precambrian ferruginous marine upwelling system in a lab-scale vertical flow-through column. The goal was to understand how geochemical profiles of O2 and Fe(II) evolve as cyanobacteria produce O2. The results show the establishment of a chemocline due to Fe(II) oxidation by photosynthetically produced O2.

Simulazione Laboratorio di ferro (II) ricchi di Precambriano Marine Upwelling sistema per esplorare la crescita di batteri fotosintetici

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling ...

Extraction and Characterization of Surfactants from Atmospheric Aerosols

Surface-active compounds, or surfactants, present in atmospheric aerosols are expected to play important roles in the formation of liquid water clouds in the Earth&#39;s atmosphere, a central process in meteorology, hydrology, and for the climate system. But because specific extraction and characterization of these compounds have been lacking for decades, very little is known on their identity, properties, mode of action and origins, thus preventing the full understanding of cloud formation and its potential links with the Earth&#39;s ecosystems.
In this paper we present recently developed methods for 1) the targeted extraction of all the surfactants from atmospheric aerosol samples and for the determination of 2) their absolute concentrations in the aerosol phase and 3) their static surface tension curves in water, including their Critical Micelle Concentration (CMC). These methods have been validated with 9 references surfactants, including anionic, cationic and non-ionic ones. Examples of results are presented for surfactants found in fine aerosol particles (diameter &#60;1 &#956;m) collected at a coastal site in Croatia and suggestions for future improvements and other characterizations than those presented are discussed.

Methods are presented for the targeted extraction of surfactants present in atmospheric aerosols and the determination of their absolute concentrations and surface tension curves in water, including their Critical Micelle Concentration (CMC).

Estrazione e caratterizzazione di tensioattivi da Atmospheric Aerosol

Surface-active compounds, or surfactants, present in atmospheric aerosols are expected to play important roles in the formation of liquid water clouds in ...

Data Processing Methods for 3D Seismic Imaging of Subsurface Volcanoes: Applications to the Tarim Flood Basalt

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way to study subsurface geo-bodies is to use industrial 3D&#160;reflection seismological imaging. However, strategies to image subsurface volcanoes are very different from that of oil and gas reservoirs. In this study, we process seismic data cubes from the Northern Tarim Basin, China, to illustrate how to visualize sills through opacity rendering techniques and how to image the conduits by time-slicing. In the first case, we isolated probes by the seismic horizons marking the contacts between sills and encasing strata, applying opacity rendering techniques to extract sills from the seismic cube. The resulting detailed sill morphology shows that the flow direction is from the dome center to the rim. In the second seismic cube, we use time-slices to image the conduits, which corresponds to marked discontinuities within the encasing rocks. A set of time-slices obtained at different depths show that the Tarim flood basalts erupted from central volcanoes, fed by separate pipe-like conduits.

Three-dimensional (3D) reflection seismology is a powerful method for imaging subsurface volcanoes. By using industrial 3D seismological data from the Tarim Basin, we illustrate how to extract the sills and the conduits of subsurface volcanoes from seismic data cubes.

Metodi di elaborazione dei dati per l'Imaging 3D sismica del sottosuolo vulcani: applicazioni per il basalto dell'inondazione del Tarim

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way ...

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using three recently developed experiments in which dust particles are exposed to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. The UV light source has a narrow bandwidth in wavelength centered at 172 nm. The beam electrons with the energy of 120 eV are created with a negatively biased hot filament. When the vacuum chamber is filled with the argon gas, a thermal plasma is created in addition to the electron beam. Insulating dust particles of a few tens of microns in diameter are used in the experiments. Dust particles are recorded to be lofted to a height up to a few centimeters with a launch speed up to 1 m/s. These experiments demonstrate that photo and/or secondary electron emission from a dusty surface changes the charging mechanism of dust particles. According to the recently developed &#34;patched charge model&#34;, the emitted electrons can be re-absorbed inside microcavities between neighboring dust particles below the surface, causing the accumulation of enhanced negative charges on the surrounding dust particles. The repulsive forces between these negatively charged particles may be large enough to mobilize and lift them off the surface. These experiments present the advanced understanding of dust charging and transport on dusty surfaces, and laid a foundation for future investigations of its role in the surface evolution of airless planetary bodies.

Dust charging and mobilization is demonstrated in three experiments with exposure to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. These experiments present the advanced understanding of electrostatic dust transport and its role in shaping the surfaces of airless planetary bodies.

Metodi sperimentali di polvere carica e mobilitazione sulle superfici con l'esposizione a radiazione ultravioletta o plasmi

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

Determination of the Settling Rate of Clay/Cyanobacterial Floccules

The mechanisms underpinning the deposition of fine-grained, organic-rich sediments are still largely debated. Specifically, the impact of the interaction of clay particles with reactive, planktonic cyanobacterial cells to the sedimentary record is under studied. This interaction is a potentially major contributor to shale depositional models. Within a lab setting, the flocculation and sedimentation rates of these materials can be examined and measured in a controlled environment. Here, we detail a protocol for measuring the sedimentation rate of cyanobacterial/clay mixtures. This methodology is demonstrated through the description of two sample experiments: the first uses kaolin (a dehydrated form of kaolinite) and Synechococcus sp. PCC 7002 (a marine coccoid cyanobacteria), and the second uses kaolin and Synechocystis sp. PCC 6803 (a freshwater coccoid cyanobacteria). Cyanobacterial cultures are mixed with varying amounts of clay within a specially designed tank apparatus optimized to allow continuous, real-time video and photographic recording. The sampling procedures are detailed as well as a post-collection protocol for precise measurement of chlorophyll a from which the concentration of cyanobacterial cells remaining in suspension can be determined. Through experimental replication, a profile is constructed that displays sedimentation rate.

The interaction and sedimentation of the clay and bacterial cells within the marine realm, observed in natural environments, can be best investigated in a controlled lab environment. Here, we describe a detailed protocol, which outlines a novel method for measuring the sedimentation rate of clay and cyanobacterial floccules.

Determinazione del tasso di sedimentazione di argilla/cianobatterica fiocco

The mechanisms underpinning the deposition of fine-grained, organic-rich sediments are still largely debated. Specifically, the impact of the interaction ...

In Situ Hybridization Techniques for Paraffin-Embedded Adult Coral Samples

Corals are important ocean invertebrates that are critical for overall ocean health as well as human health. However, due to human impacts such as rising ocean temperatures and ocean acidification, corals are increasingly under threat. To tackle these challenges, advances in cell and molecular biology have proven to be crucial for diagnosing the health of corals. Modifying some of the techniques commonly used in human medicine could greatly improve researchers&#39; ability to treat and save corals. To address this, a protocol for in situ hybridization used primarily in human medicine and evolutionary developmental biology has been adapted for use in adult corals under stress.
The purpose of this method is to visualize the spatial expression of an RNA probe in adult coral tissue that has been embedded in paraffin and sectioned onto glass slides. This method focuses on removal of the paraffin and rehydration of the sample, pretreatment of the sample to ensure permeability of the sample, pre-hybridization incubation, hybridization of the RNA probe, and visualization of the RNA probe. This is a powerful method when using non-model organisms to discover where specific genes are expressed, and the protocol can be easily adapted for other non-model organisms. However, the method is limited in that it is primarily qualitative, because expression intensity can vary depending on the amount of time used during the visualization step and the concentration of the probe. Furthermore, patience is required, as this protocol can take up to 5 days (and in many cases, longer) depending on the probe being used. Finally, non-specific background staining is common, but this limitation can be overcome.

In Situ Hybridization Techniques for Paraffin-Embedded Adult Coral Samples

The goal of this protocol is to perform in situ hybridization on adult coral samples that have been embedded in paraffin and sectioned onto glass slides. This is a qualitative method used to visualize the spatial expression of an RNA anti-sense probe in paraffin-embedded tissues.

In Situ Tecniche di ibridazione per paraffina adulti coralli campioni

Corals are important ocean invertebrates that are critical for overall ocean health as well as human health. However, due to human impacts such as rising ...

Sampling, Sorting, and Characterizing Microplastics in Aquatic Environments with High Suspended Sediment Loads and Large Floating Debris

The ubiquitous presence of plastic debris in the ocean is widely recognized by the public, scientific communities, and government agencies. However, only recently have microplastics in freshwater systems, such as rivers and lakes, been quantified. Microplastic sampling at the surface usually consists of deploying drift nets behind either a stationary or moving boat, which limits the sampling to environments with low levels of suspended sediments and floating or submerged debris. Previous studies that employed drift nets to collect microplastic debris typically used nets with &#8805;300 &#181;m mesh size, allowing plastic debris (particles and fibers) below this size to pass through the net and elude quantification. The protocol detailed here enables: 1) sample collection in environments with high suspended loads and floating or submerged debris and 2) the capture and quantification of microplastic particles and fibers &lt;300 &#181;m. Water samples were collected using a peristaltic pump in low-density polyethylene (PE) containers to be stored before filtering and analysis in the lab. Filtration was done with a custom-made microplastic filtration device containing detachable union joints that housed nylon mesh sieves and mixed cellulose ester membrane filters. Mesh sieves and membrane filters were examined with a stereomicroscope to quantify and separate microplastic particulates and fibers. These materials were then examined using a micro-attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectrometer (micro ATR-FTIR) to determine microplastic polymer type. Recovery was measured by spiking samples using blue PE particulates and green nylon fibers; percent recovery was determined to be 100% for particulates and 92% for fibers. This protocol will guide similar studies on microplastics in high velocity rivers with high concentrations of sediment. With simple modifications to the peristaltic pump and filtration device, users can collect and analyze various sample volumes and particulate sizes.

Most microplastic research to date has occurred in marine systems where suspended solid levels are relatively low. Focus is now shifting to freshwater systems, which may feature high sediment loads and floating debris. This protocol addresses collecting and analyzing microplastic samples from aquatic environments that contain high suspended solid loads.

Campionamento, ordinamento e caratterizzando microplastiche negli ambienti acquatici con carichi di materiale solido in sospensione alta e grandi detriti galleggianti

The ubiquitous presence of plastic debris in the ocean is widely recognized by the public, scientific communities, and government agencies. However, only ...

Design and Use of an Apparatus for Quantifying Bivalve Suspension Feeding at Sea

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves (i.e., mussels, oysters, and clams) presents new challenges. Quantitative data on the feeding behavior of suspension-feeding mollusks is necessary to determine important ecosystem interactions of offshore shellfish farms, including their carrying capacity, the competition with the zooplankton community, the availability of trophic resources at different depths, and the deposition to the benthos. The biodeposition method is used to quantify feeding variables in suspension-feeding bivalves in a natural setting and represents a more realistic proxy than laboratory experiments. This method, however, relies upon a stable platform to satisfy the requirements that water flow rates supplied to the shellfish remain constant and the bivalves are undisturbed. A flow-through device and process for using the biodeposition method to quantify the feeding of bivalve mollusks were modified from a land-based format for shipboard use by building a two-dimensional gimbal table around the device. Planimeter data reveal a minimal pitch and yaw of the chambers containing the test shellfish despite boat motion, the flow rates within the chambers remain constant, and operators are able to collect the biodeposits (feces and pseudofeces) with sufficient consistency to obtain accurate measurements of the bivalve clearance, filtration, selection, ingestion, rejection, and absorption at offshore shellfish aquaculture sites.

A flow-through device for using the biodeposition method to quantify filtration and feeding behavior of bivalve mollusks was modified for shipboard use. A two-dimensional gimbal table built around the device isolates the apparatus from boat motion, thereby allowing the accurate quantification of bivalve filtration variables at offshore shellfish aquaculture sites.

Progettazione e l'uso di un apparato per quantificare bivalvi sospensione alimentazione in mare

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves ...

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the deep ocean. Roles of minerals are critical in many hydrothermal organic geochemical processes. Traditional hydrothermal methodology, which includes using reactors made of gold, titanium, platinum, or stainless-steel, is usually associated with the high cost or undesired metal catalytic effects. Recently, there is a growing tendency for using the cost-effective and inert quartz or fused silica glass tubes in hydrothermal experiments. Here, we provide a protocol for carrying out organic-mineral hydrothermal experiments in silica tubes, and we describe the essential steps in the sample preparation, experimental setup, products separation, and quantitative analysis. We also demonstrate an experiment using a model organic compound, nitrobenzene, to show the effect of an iron-containing mineral, magnetite, on its degradation under a specific hydrothermal condition. This technique can be applied to study complex organic-mineral hydrothermal interactions in a relatively simple laboratory system.

Earth-abundant minerals play important roles in the natural hydrothermal systems. Here, we describe a reliable and cost-effective method for the experimental investigation of organic-mineral interactions under hydrothermal conditions.

Un protocollo sperimentale per lo studio di minerali effetti sulle trasformazioni organiche idrotermale

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...